Tính toán hệ thống sấy bơm nhiệt_Nguyễn Thị Trang| BT môn Thiết kế hệ thống sấy các sản phẩm thực phẩm| Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT
1. Lựa chọn các thông số ban đầu
1.1. Vật liệu sấy - Miến rong
- Năng suất theo nguyên liệu: G1 = 100kg/mẻ. - Thời gian sấy: τ = 4h.
- Độ ẩm vật liệu vào: w1 = 70%.
- Độ ẩm vật liệu ra: w2 = 20%. 1.2. Tác nhân sấy
- Không khí tự nhiên ngoài môi trường. - Ban đầu:
Nhiệt độ: t0 = 25 ̊C ; Độ ẩm tương đối: φ = 80% ; Áp suất khí quyển: Pkq = 1 atm = 1,013 bar.
- Sau dàn lạnh: Nhiệt độ: t1 = 10 ̊C.
- Vào buồng sấy: Nhiệt độ: t2 = 50 ̊C .
- Ra khỏi buồng sấy: Nhiệt độ: t3 = 35 ̊C .
2. Cân bằng vật chất của thiết bị sấy
Lượng sản phẩm thu được sau một mẻ sấy: 100  w 100  70 1 G  G .  100.
 37,5 kg / me 2 1   100  w 100  20 2
Lượng ẩm cần tách ra khỏi vật liệu sấy trong một mẻ:
W  G  G  100  37, 5  62, 5 kg / me 0 1 2  
Lượng ẩm cần tách ra khỏi vật liệu sấy trung bình trong một giờ: W 62, 5 0 W  
 7,813 kg / h  8 NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
3. Tính toán quá trình sấy lí thuyết
Hình 1. Đồ thị I – d của quá trình sấy lý thuyết trong thiết bị sấy bơm nhiệt
Điểm 0: Trạng thái không khí ngoài trời
Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn bay hơi (dàn lạnh)
Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn ngưng tụ (dàn nóng)
Điểm 3: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy
Điểm 4: Trạng thái không khí trong dàn bay hơi (dàn lạnh)
Đường 1 – 2: Quá trình gia nhiệt đẳng d = const trong dàn nóng
Đường 2 – 3: Quá trình sấy đẳng Entanpi trong buồng sấy
Đường 3 – 4 – 1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh. NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
3.1. Trạng thái không khí ngoài trời – điểm 0
Không khí ngoài trời có t0 = 25˚C, φ0 = 80%, P = 1atm = 1,013 bar (điểm 0).
Tra đồ thị I – d ta được:
 Độ chứa ẩm: d = 16,03 g ẩm/kgkkk.
 Entalpi: I = 65,957 kJ/kgkkk.
Để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy, nhiệt độ thiết bị sấy phải cao
hơn nhiệt độ đọng sương của không khí. Tức nhiệt độ sấy phải cao hơn tsương = 21,311 ̊C. t  50  21, 311 C   tm s  
3.2. Trạng thái không khí sau dàn bay hơi (dàn lạnh) - điểm 1
Vì tác nhân sấy đến dàn lạnh ngưng tụ ẩm nên tác nhân sấy ở trạng thái bão hòa,
độ ẩm tương đối φ1 = 100%, t1 = 10 ̊C (điểm 1). Tuy nhiên trên thực tế độ ẩm không
bao giờ về 100% được. Vì thế để dự trữ trong tính toán ta chọn độ ẩm là: φ1 = 96% .
Tra đồ thị I – d ta được:
 Độ chứa ẩm: d1 = 7,35 g ẩm/kgkkk.
 Entalpi: I1 = 28,568 kJ/kgkkk.
3.3. Trạng thái không khí sau dàn ngưng tụ (dàn nóng) – điểm 2
Nhiệt độ: t2 = 50 ̊C trước khi vào thiết bị sấy, d2 = d1 = d = 7,35 g ẩm/kgkkk.
Tra đồ thị I – d ta được:
 Độ ẩm tương đối : φ2 = 9,5 %.
 Entalpi: I2 = 69,307 kJ/kgkkk.
3.4. Trạng thái không khí sau khi đi qua buồng sấy – điểm 3
Quá trình sấy lý thuyết là quá trình chỉ có tổn thất do TNS mang đi mà không có
tổn thất khác như tổn thất ra môi trường, tổn thất do VLS mang đi, tổn thất do thiết bị
chuyển tải,… Do đó, nhiệt lượng mà TNS cung cấp cho VLS chỉ để cung cấp cho ẩm
bốc hơi. Ẩm bốc hơi lại mang trở lại TNS toàn bộ nhiệt lượng này dưới dạng nhiệt ẩn
hóa hơi r và nhiệt vật lý Cpat.
Như vậy, Entanpy của không khí ở điểm 3 được bảo toàn: I3 = I2 = 69,307 kJ/kgkkk NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
Nhiệt độ ra khỏi buồng sấy của TNS: t3 = 35 ̊C.
Tra đồ thị I – d ta được:
 Độ ẩm tương đối : φ3 = 37,6 %.
 Độ chứa ẩm : d3 = 13,33 g ẩm/kgkkk.
3.5. Trạng thái không khí trong dàn bay hơi (dàn lạnh) – điểm 4
Độ ẩm tương đối của không khí: φ4 = 96 %. (điểm 4)
Độ chứa ẩm của không khí: d4 = d3 = 13,33 g ẩm/kgkkk.
 Phân áp suất hơi nước bão hoà: P.d 1, 013.0, 01333 4 P    0,0222 bar b4 0,621+d .φ 0,621 0,01333 .0,96 4  4    
 Nhiệt độ không khí trong dàn lạnh: 4026, 42 4026, 42 t   235,5   235,5 1 9, 21 C  4   12  ln(P ) 12  ln(0, 0222) b 4
Tra đồ thị I – d ta được:
 Entalpy: I4 = 53,445 kJ/kgkkk
3.6. Cân bằng năng lượng trong quá trình sấy lí thuyết
Thông số trạng thái không khí trong quá trình sấy lí thuyết I, Trạng thái t, oC  , % d, gẩm/kgkkk kJ/kgkkk 0 25 80 16,03 65,957 1 10 96 7,35 28,568 2 50 9,5 7,35 69,307 3 35 37,6 13,33 69,307 4 19,21 96 12,4 53,445
 Lượng không khí khô cần thiết làm bay hơi 1kg ẩm: 1 1000 l  
 167, 224 kgkk kg am lt  /  d  d 13, 33  7, 35 3 2 NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
 Lượng không khí khô tuần hoàn trong quá trình sấy:
L  W .l  7,813.167, 224  1306, 522 kgkk / h lt
 Lượng không khí cần thiết ban đầu trong quá trình sấy là:
L  L .(1 d )  1306, 522 .(1 0, 00735)  1316,125 kgk / h lt 1  
 Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm: q
 I  I .l  69,307  28,568 .167,224  6812,539 kJ / kg am bh 3 1  lt    
 Nhiệt lượng dàn lạnh thu được:
Q  q .W  6812, 539.7,813  53226, 364 kJ / h bh bh 
 Công suất của dàn lạnh: Q 53226, 364 bh Q   14,785 kW 0   3600 3600
Tương tự như dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy, trong quá trình lí thuyết thì
công suất của dàn nóng là: Q  Q  14, 785
kW (do không có thêm nhiệt bổ sung). k 0  
4. Tính toán, lựa chọn kích thước buồng sấy
4.1. Kích thước các bộ phận vận chuyển
4.1.1. Khay đựng vật liệu sấy
Khay được làm từ vật liệu inox an toàn cho thực phẩm. Để thuận tiện cho công
nhân thao tác khi vận chuyển các khay chứa vật liệu ta cần chọn kích thước phù hợp.
Chọn kích thước mỗi khay là:
- Chiều dài khay: Lk = 700 mm
- Chiều rộng khay: Bk = 650 mm
- Chiều cao khay: Hk = 40 mm
- Chiều dày thành và đáy khay là 1 mm.
Dùng lưới ở đáy khay để đựng VLS, để TNS dễ đi xuyên qua khay và trao đổi ẩm, nhiệt với VLS.
Ta có hình vẽ khay sấy: NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21 Cấu tạo khay sấy
4.1.2. Xe goòng chứa các khay sấy
Khối lượng vật liệu vào: 100 kg/mẻ. Chọn 2 xe, mỗi xe chứa 15 khay.
Khối lượng vật liệu trên mỗi khay là: 3,33 kg/khay
Khoảng cách giữa 2 khay sấy liên tiếp nhau là: 60 mm
Suy ra độ cao của xe là:
H  15.60 100  1000 mm x  
Vậy kích thước xe goòng là:
- Chiều dài xe: L  750 mm x  
- Chiều rộng xe: B  700 mm x  
- Chiều cao xe: H  1000 mm x   NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
4.2. Tính kích thước buồng sấy
Chọn khoảng cách giữa 2 xe goòng liên tiếp nhau là 100 mm, chiều dài bổ sung để
bố trí tác nhân sấy vào/ra buồng sấy là 1000 mm, ta có:
Chiều dài buồng sấy là:
L  2.700 1000 100  2500 mm b  
Chiều rộng buồng sấy là:
B  750  50  800 mm b  
Chiều cao buồng sấy là:
H  1000  50  1050 mm b   * Ghi chú:
Trên đây chỉ là kích thước tương đối phục vụ cho việc tính toán. Trong thực tế kích
thước có thể sai số trong phạm vi nhất định đảm bảo cho việc gia công cơ khí và lắp
ghép chế tạo sao cho tối ưu nhất.
Chọn đường kính ống vận chuyển tác nhân sấy: d = 250mm.
5. Tính toán hệ thống lạnh
5.1. Lựa chọn môi chất
Chọn môi chất lạnh là: R134a
 Nhiệt độ bay hơi: Thường lấy nhỏ hơn nhiệt độ TNS ra khỏi giàn bay hơi 5
– 10 ̊C , mà nhiệt độ TNS ra khỏi giàn bay hơi là: t  10 C  . Nên ta lấy: 1   t  3 C  bh  
 Nhiệt độ ngưng tụ: Thường lấy lớn hơn nhiệt độ TNS ra khỏi giàn ngưng tụ
5– 10 ̊C , mà nhiệt độ TNS ra khỏi giàn ngưng tụ là: t  50 C  . Nên ta lấy: 2   t  57 C  nt   5.2. Chọn chu trình
Với môi chất R134a ta có áp suất bay hơi và ngưng tụ tương ứng với nhiệt độ
bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk là: NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
 t  3  C
   p  3,260 bar bh bh  
 t  57  C
   p 15,652 bar nt nt  
Như vậy ta có tỉ số nén: p 15, 652 nt     4,801  8 p 3, 260 bh
→ Ta chọn máy nén 1 cấp.
Thông số các điểm nút của đồ thị Điểm Trạng thái T (°C) P (bar) i (kJ/kg) 1 Hơi bão hòa khô 3 3,260 398,931 2 Hơi quá nhiệt 61,632 15,652 431,250 3 Lỏng sôi 57 15,652 282,509 4 Hơi bão hòa ẩm 3 3,260 282,509
5.3. Tính toán hệ thống bơm nhiệt
 Công suất lạnh riêng:
q  i  i  398, 931 282, 509  116, 422 kJ / kg 0 1 4   NGUYEN THI TRANG 20175272 11/11/21
→ Lưu lượng môi chất lạnh trong hệ thống: Q 14, 785 0 G    , 0 127 kg s mc  /  q 116, 422 0  Công nén riêng: q
 i  i  431, 250  398,931  32,319 kJ / kg mn 2 1   → Công máy nén: Q
 G .q  0,127 . 32,319  4,105 kW mn mc n    Công giàn nóng riêng:
q  i  i  431, 250  282, 509  148, 741 kJ / kg nt 2 3   → Công máy giàn nóng:
Q  G .q  0,127 .148, 741  18,89 kW nt mc nt    Chỉ số COP: Q 14, 785 0 COP    3,602 Q 4,105 mn